一种宽调谐单通带微波光子滤波器

1.本实用新型涉及微波光学技术领域，具体涉及一种宽调谐单通带微波光子滤波器。


背景技术：

2.在微波信号处理领域，通常使用单通带射频滤波器将有用信号从噪声或干扰信号中提取出来，以减小后续信号处理的难度和降低信号处理的成本。然而随着通信技术不断的升级换代，当前的频谱资源日益紧张，保护频段不断变窄，为了让接收机接收到不同频段的微波信号，需要在信号接收机前端配备各种频段的微波滤波器，大大增加了接收机的成本，特别是高频段的微波滤波器，其价格十分昂贵。因此，研制出一种宽调谐的单通带微波滤波器一直是人们梦寐以求的。然而电子器件受电子瓶颈制约，难以实现宽调谐，而微波光子滤波器兼具了光子技术高速宽带和微波技术灵活可控的优点，被认为是应对上述挑战的有效途径。
3.微波光子滤波器作为一种能够替代传统电滤波器对射频信号进行滤波处理的光子系统。相比传统电滤波器，微波光子滤波器具有高频、宽带、可重构、宽调谐等特点。
4.基于离散数字化滤波器技术，采用时延线结构的微波光子滤波器以其性能稳定，对环境变化不敏感等特性获得快速发展。但是其频谱响应呈多通带特性，限制了其在复杂电磁环境下的应用，例如在卫星通信地面站系统中及未来极具应用前景的通信雷达通道一体化应用系统中，都亟需单通道宽调谐滤波器。因此，如何实现单通带频响，一直是人们重点关注的研究方向。
5.在先技术中mora j等人首次利用频谱切割放大自发辐射（amplified spontaneous emission、ase）光源的方法实现了调谐范围5 ghz-17 ghz的单通带微波光子滤波器。受所有抽头系数为正的限制，该技滤波器存在基带频响，不是真正的单通带，只是由于抽头数目很多导致基带频响非常小，可忽略不计，原因是基频响应宽度与抽头数目成反比，抽头数目越多，基频响应宽度越窄。此外，由于ase光源给系统引入大量的自发辐射噪声，导致单通带微波光子滤波器存在系统底部噪声高的缺陷。
6.在先技术中khan等人基于光学频率梳构建了单通带微波光子滤波器。光学频率梳克服了ase光源引入的噪声，但光学频率梳产生系统复杂，需要级联多个强度调制和相位调制器且需要精确控制各个调制器的调制系数、偏置电压、射频调制信号的相移等，导致系统成本高、操作复杂。此外，该系统基同样存在基频响应。
7.因此，研制操作方便、成本较低的单通带微波光子滤波器是该领域亟需解决的一个问题。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种宽调谐单通带微波光子滤波器，以解决现有技术中滤波器结构复杂、成本高，并存在基频响应的问题。
9.为达到上述目的，本实用新型是采用下述技术方案实现的：
10.第一方面，本实用新型公开了一种宽调谐单通带微波光子滤波器，包括：
11.用于产生超连续谱光源的光源装置，所述光源装置包括依次连接的发生器、射频功率放大器、dfb激光器、第一掺铒光纤放大器、第一可变光衰减器和高非线性光纤；
12.用于选取一定宽度超连续谱光源的光滤波器，所述光滤波器连接在光源装置和用于将超连续谱光源进行频谱切割的mzi结构之间；
13.所述mzi结构的通过单模光纤及第二掺铒光纤放大器和光电探测器相连接，所述光电探测器通过矢量网络分析仪和所述mzi结构相连接。
14.进一步地，所述mzi结构包括通过50:50的光纤耦合器连接在光滤波器和单模光纤之间的上路结构和下路结构。
15.进一步地，所述上路结构包括依次设置在光滤波器和单模光纤之间的第一偏振控制器、第二可变光衰减器和可调光纤延迟线。
16.进一步地，所述下路结构包括依次设置在光滤波器和单模光纤之间的第二偏振控制器和相位调制器。
17.进一步地，所述矢量网络分析仪连接在所述相位调制器和所述光电探测器之间。
18.进一步地，所述光源装置还包括功率计，所述功率计和所述高非线性光纤通过99:1的光纤耦合器和所述第一可变光衰减器相连接。
19.进一步地，所述高非线性光纤为1km高非线性光纤。
20.进一步地，所述单模光纤为50km单模光纤。
21.根据上述技术方案，本实用新型的实施例至少具有以下效果：本技术设计的宽调谐单通带微波光子滤波器，通过设计的依次连接的发生器、射频功率放大器、dfb激光器、光纤放大器、第一可变光衰减器和高非线性光纤可产生相关性介于ase光源和光学频率梳光源之间的宽谱光源，通过选取一定宽度的超连续谱光源，并通过mzi结构进行频谱切割，结构简单，成本低，构成的复系数滤波器，消除了基频响应。
附图说明
22.图1为本实用新型滤波器的结构示意图；
23.图2为本实用新型不同功率下的超连续光谱图；
24.图3为本实用新型基于超连续光谱构建的滤波器的光源及频响示意图；
25.图4为本实用新型滤波器调谐仿真及实测示意图。
具体实施方式
26.为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
27.实施例1
28.为了避免使用ase光源（噪声大）和光学频率梳（成本高、操作复杂）且消除基频响应，构建真正意义的单通带微波光子滤波器，本实用新型基于频谱切割超连续谱光源构建了1 ghz-30 ghz范围内宽调谐单通带微波光子滤波器。
29.本实用新型公开的一种宽调谐单通带微波光子滤波器，包括用于产生超连续谱光
源的光源装置，光源装置包括依次连接的发生器、射频功率放大器1、dfb激光器2、第一掺铒光纤放大器3、第一可变光衰减器4和高非线性光纤6；用于选取一定宽度超连续谱光源的光滤波器，光滤波器16连接在光源装置和用于将超连续谱光源进行频谱切割的mzi结构之间；mzi结构的通过单模光纤12及第二掺铒光纤放大器13和光电探测器15相连接，光电探测器15通过矢量网络分析仪14和mzi结构相连接。
30.本技术设计的宽调谐单通带微波光子滤波器，通过设计的依次连接的发生器、射频功率放大器1、dfb激光器2、第一掺铒光纤放大器3、第一可变光衰减器4和高非线性光纤6可产生相关性介于ase光源和光学频率梳光源之间的宽谱光源，通过选取一定宽度的超连续谱光源，并通过mzi结构进行频谱切割，结构简单，成本低，构成的复系数滤波器，消除了基频响应。
31.本实用新型解决其技术问题所采用的系统结构如图1所示。整个系统由超连续谱光源、光滤波器、mzi结构、50 km单模光纤12、两个掺铒光纤放大器（第一掺铒光纤放大器3、第二掺铒光纤放大器13）、光电探测器15、矢量网络分析仪14组成。
32.在本实用新型中，超连续谱光源由单频射频信号rf、射频功率放大器1、dfb激光器2、第一掺铒光纤放大器3、第一可变光衰减器4、99:1的光纤耦合器、1 km 高非线性光纤6、功率计5组成，其作用是提供一个相关性介于ase光源和光学频率梳光源之间的宽谱光源。
33.具体的，如图1所示，脉冲序列发生器和射频功率放大器相连接，将产生的射频信号rf输出至射频功率放大器，射频功率放大器1的输出端和dfb激光器2相连接，dfb激光器2的输出和第一掺铒光纤放大器3相连接，第一掺铒光纤放大器3的输出和第一可变光衰减器4相连接，第一可变光衰减器4通过99:1的光纤耦合器连接功率计5和1 km 高非线性光纤6。
34.光滤波器16的作用是选取一定宽度的超连续谱光源。mzi结构由两个50:50光纤耦合器结合上下两路组成，上路包含第一偏振控制器7、第二可变光衰减器8、可调光纤延迟线9，下路包含第二偏振控制器10、相位调制器11。第二可变光衰减器用于调节mzi结构中上下两路光信号的功率，使得两路光信号功率相等，从而使所构建的单通带微波光子滤波器获得最大的幅度响应。可调光纤延迟线用于改变mzi结构的自由光谱范围。改变可调光纤延迟线可以实现单通带微波光子滤波器的调谐。
35.相位调制器用于mzi给下路光信号提供相移，从而构成复系数滤波器，消除基频响应。mzi结构的作用是对超连续谱光源进行频谱切割从而产生多个抽头，注意mzi抽头是在相干体制中进行即上下两路时间延时小于光源相干时间。50 km的单模光纤用于色散延迟mzi输出的多个抽头，保证抽头间时延大于光源相干时间即抽头间不相干。
36.实施例2
37.本实用新型还提供了一种宽调谐单通带微波光子滤波器的构建方法，该方法分三步构建宽调谐单通带微波光子滤波器。第一步：产生超连续谱光源；第二步：基于超连续谱光源构建单通带微波光子滤波器；第三步：测试单通带微波光子滤波器的调谐范围。
38.第一步：产生超连续谱光源。
39.将dfb输出中心波长固定为1550 nm。射频信号rf从脉冲序列发生器输出，重复速率为2.5 ghz。脉冲序列经过2.5 ghz的单频功率放大器放大后直接调制dfb。dfb输出光脉冲被edfa1(饱和输出功率25.6 dbm)放大后送入长度为1 km的高非线性光纤。控制voa1，使得输入高非线性光纤的光功率从0 dbm逐渐增加到20 dbm，步进2 db，最大测试光功率为
21.4 dbm，高非线性光纤输出光谱如图2所示。
40.由图2可知，光功率小于12 dbm，光谱无明显展宽；当注入功率大于16 dbm，光谱明显展宽(高非线性光纤自相位调制等非线性效应被激发)，光谱覆盖范围从1500 nm到1600 nm，产生超连续谱光源。
41.第二：基于超连续谱光源构建单通带微波光子滤波器。
42.利用波长选择开关截取部分c波段超连续谱光源(中心波长1553.9 nm，10 db 带宽4.4 nm)，如图3(a)所示。基于截取的超连续谱光源构建单通带微波光子滤波器，其频响如图3(b)所示。
43.第三：测试单通带微波光子滤波器的调谐范围。
44.改变mzi结构中的可调时延线长度，试验测得微波光子滤波器调谐范围如图4(b)所示。
45.对比如图4(a)所示的仿真结果和如图4(b)所示的实测结果，发现仿真和实测结果符合较好，基于超连续谱光源构建的单通带微波光子滤波器可实现1 ghz-30 ghz的调谐范围，3db带宽230 mhz。由于射频链路的损耗，导致随滤波器中心频率向高频方向调谐，其频响曲线的峰值幅度逐渐降低。
46.由技术常识可知，本实用新型可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本实用新型范围内或在等同于本实用新型的范围内的改变均被本实用新型包含。